Comment les éléments de terres rares rendent la technologie moderne possible

En août, la Chine a terminé la construction d'une ligne de train maglev qui utilise des aimants fabriqués à partir d'alliages de terres rares pour faire léviter les wagons sans consommer d'électricité.

Xinhua/Alay Banque D'Images

Par Nikk Ogasa

16 janvier 2023 à 8h00

Dans l'opéra spatial Dune de Frank Herbert, une substance naturelle précieuse appelée mélange d'épices permet aux gens de naviguer dans de vastes étendues du cosmos pour construire une civilisation intergalactique.

Dans la vraie vie ici sur Terre, un groupe de métaux naturels connus sous le nom de terres rares a rendu possible notre propre société basée sur la technologie. La demande pour ces composants cruciaux dans presque tous les appareils électroniques modernes monte en flèche.

Les terres rares répondent à des milliers de besoins différents - le cérium, par exemple, est utilisé comme catalyseur pour raffiner le pétrole, et le gadolinium capture les neutrons dans les réacteurs nucléaires. Mais les capacités les plus remarquables de ces éléments résident dans leur luminescence et leur magnétisme.

Nous comptons sur les terres rares pour colorer les écrans de nos smartphones, les rendre fluorescents pour signaler l'authenticité des billets en euros et relayer les signaux via des câbles à fibres optiques à travers le fond marin. Ils sont également essentiels pour construire certains des aimants les plus puissants et les plus fiables au monde. Ils génèrent des ondes sonores dans vos écouteurs, amplifient les informations numériques dans l'espace et modifient les trajectoires des missiles à recherche de chaleur. Les terres rares stimulent également la croissance des technologies vertes, telles que l'énergie éolienne et les véhicules électriques, et pourraient même donner naissance à de nouveaux composants pour les ordinateurs quantiques.

"La liste ne fait que s'allonger", déclare Stephen Boyd, chimiste de synthèse et consultant indépendant. "Ils sont partout."

Les terres rares sont les lanthanides - le lutétium et les 14 éléments entre le lanthane et l'ytterbium sur une ligne du tableau périodique - plus le scandium et l'yttrium, qui ont tendance à se produire dans les mêmes gisements de minerai et ont des propriétés chimiques similaires à celles des lanthanides. Ces métaux gris à argentés sont souvent malléables avec des points de fusion et d'ébullition élevés.

Leurs pouvoirs secrets résident dans leurs électrons. Tous les atomes ont un noyau entouré d'électrons, qui habitent des zones appelées orbitales. Les électrons des orbitales les plus éloignées du noyau sont les électrons de valence, qui participent aux réactions chimiques et forment des liaisons avec d'autres atomes.

La plupart des lanthanides possèdent un autre ensemble important d'électrons appelés "électrons f", qui résident dans une zone Boucle d'or située près des électrons de valence mais légèrement plus proche du noyau. "Ce sont ces électrons f qui sont responsables à la fois des propriétés magnétiques et luminescentes des éléments de terres rares", explique Ana de Bettencourt-Dias, chimiste inorganique à l'Université du Nevada, Reno.

Les terres rares sont un groupe de 17 éléments (surlignés en bleu sur le tableau périodique). Un sous-ensemble de terres rares connu sous le nom de lanthanides (lutétium, Lu, plus la rangée commençant par le lanthane, La) contient chacun une sous-couche qui abrite généralement des électrons f, qui confèrent aux éléments des propriétés magnétiques et luminescentes.

Le long de certaines côtes, la mer nocturne brille parfois d'un vert bleuâtre lorsque le plancton bioluminescent est bousculé par les vagues. Les métaux de terres rares émettent également de la lumière lorsqu'ils sont stimulés. L'astuce consiste à chatouiller leurs électrons f, dit de Bettencourt-Dias.

À l'aide d'une source d'énergie comme un laser ou une lampe, les scientifiques et les ingénieurs peuvent faire passer l'un des électrons f d'une terre rare dans un état excité, puis le laisser retomber dans la léthargie, ou son état fondamental. "Lorsque les lanthanides reviennent à l'état fondamental", dit-elle, "ils émettent de la lumière".

Chaque terre rare émet de manière fiable des longueurs d'onde précises de lumière lorsqu'elle est excitée, explique de Bettencourt-Dias. Cette précision fiable permet aux ingénieurs de régler soigneusement le rayonnement électromagnétique dans de nombreux appareils électroniques. Le terbium, par exemple, émet de la lumière à une longueur d'onde d'environ 545 nanomètres, ce qui le rend idéal pour la construction de luminophores verts dans les écrans de télévision, d'ordinateur et de smartphone. L'europium, qui a deux formes courantes, est utilisé pour fabriquer des luminophores rouges et bleus. Tous ensemble, ces luminophores peuvent peindre des écrans avec la plupart des nuances de l'arc-en-ciel.

Les terres rares émettent également une lumière invisible utile. L'yttrium est un ingrédient clé de l'yttrium-aluminium-grenat, ou YAG, un cristal synthétique qui forme le cœur de nombreux lasers de grande puissance. Les ingénieurs règlent les longueurs d'onde de ces lasers en entrelaçant des cristaux YAG avec une autre terre rare. La variété la plus populaire est celle des lasers YAG au néodyme, qui sont utilisés pour tout, du tranchage de l'acier à l'élimination des tatouages ​​en passant par la télémétrie laser. Les faisceaux laser Erbium-YAG sont une bonne option pour les chirurgies peu invasives car ils sont facilement absorbés par l'eau dans la chair et ne coupent donc pas trop profondément.

Au-delà des lasers, le lanthane est crucial pour fabriquer le verre absorbant les infrarouges dans les lunettes de vision nocturne. "Et l'erbium est le moteur de notre Internet", déclare Tian Zhong, ingénieur moléculaire à l'Université de Chicago. Une grande partie de nos informations numériques voyage à travers les fibres optiques sous forme de lumière avec une longueur d'onde d'environ 1 550 nanomètres - la même longueur d'onde émise par l'erbium. Les signaux dans les câbles à fibres optiques diminuent lorsqu'ils s'éloignent de leur source. Comme ces câbles peuvent s'étendre sur des milliers de kilomètres à travers le fond marin, de l'erbium est ajouté aux fibres pour amplifier les signaux.

En 1945, des scientifiques ont construit l'ENIAC, le premier ordinateur numérique universel programmable au monde (SN : 23/02/46, p. 118). Surnommé le "cerveau géant", l'ENIAC pesait plus de quatre éléphants et avait une empreinte d'environ les deux tiers de la taille d'un court de tennis.

Moins de 80 ans plus tard, le smartphone omniprésent - doté de bien plus de puissance de calcul que l'ENIAC n'a jamais fait - tient parfaitement dans nos paumes. La société doit en grande partie cette miniaturisation de la technologie électronique au pouvoir magnétique exceptionnel des terres rares. De minuscules aimants en terres rares peuvent faire le même travail que des aimants plus gros fabriqués sans terres rares.

Ce sont ces électrons F en jeu. Les terres rares ont de nombreuses orbitales d'électrons, mais les électrons f habitent un groupe spécifique de sept orbitales appelé la sous-couche 4f. Dans n'importe quelle sous-couche, les électrons essaient de se répartir entre les orbitales à l'intérieur. Chaque orbitale peut contenir jusqu'à deux électrons. Mais comme la sous-couche 4f contient sept orbitales et que la plupart des terres rares contiennent moins de 14 électrons f, les éléments ont tendance à avoir plusieurs orbitales avec un seul électron. Les atomes de néodyme, par exemple, possèdent quatre de ces solitaires, tandis que le dysprosium et le samarium en ont cinq. Fondamentalement, ces électrons non appariés ont tendance à pointer - ou à tourner - dans la même direction, dit Boyd. "C'est ce qui crée les pôles nord et sud que nous comprenons classiquement comme du magnétisme."

Étant donné que ces électrons f isolés flottent derrière une couche d'électrons de valence, leurs spins synchronisés sont quelque peu protégés des forces de démagnétisation telles que la chaleur et d'autres champs magnétiques, ce qui les rend parfaits pour la construction d'aimants permanents, explique Zhong. Les aimants permanents, comme ceux qui maintiennent des images sur une porte de réfrigérateur, génèrent passivement des champs magnétiques qui proviennent de leur structure atomique, contrairement aux électroaimants, qui nécessitent un courant électrique et peuvent être éteints.

Les terres rares rendent les smartphones et autres technologies possibles, mais posent de grands défis. En savoir plus sur cette série :

Mais même avec leur blindage, les terres rares ont des limites. Le néodyme pur, par exemple, se corrode et se fracture facilement, et son attraction magnétique commence à perdre de sa force au-dessus de 80° Celsius. Ainsi, les fabricants allient certaines terres rares avec d'autres métaux pour fabriquer des aimants plus résistants, explique Durga Paudyal, physicienne théoricienne au Ames National Laboratory dans l'Iowa. Cela fonctionne bien car certaines terres rares peuvent orchestrer les champs magnétiques d'autres métaux, dit-il. Tout comme les dés pondérés atterriront préférentiellement d'un côté, certaines terres rares comme le néodyme et le samarium présentent un magnétisme plus fort dans certaines directions car elles contiennent des orbitales inégalement remplies dans leurs sous-couches 4f. Cette directivité, appelée anisotropie magnétique, peut être exploitée pour coordonner les champs d'autres métaux comme le fer ou le cobalt afin de formuler des aimants robustes et extrêmement puissants.

Les aimants en alliage de terres rares les plus puissants sont les aimants en néodyme-fer-bore. Un aimant en alliage de néodyme de trois kilogrammes peut soulever des objets pesant plus de 300 kilogrammes, par exemple. Plus de 95 % des aimants permanents du monde sont fabriqués à partir de cet alliage de terres rares. Les aimants néodyme-fer-bore génèrent des vibrations dans les smartphones, produisent des sons dans les écouteurs et les écouteurs, permettent la lecture et l'écriture de données dans les disques durs et génèrent les champs magnétiques utilisés dans les appareils IRM. Et l'ajout d'un peu de dysprosium à ces aimants peut augmenter la résistance à la chaleur de l'alliage, ce qui en fait un bon choix pour les rotors qui tournent dans les intérieurs chauds de nombreux moteurs de véhicules électriques.

Les aimants au samarium-cobalt, développés dans les années 1960, ont été les premiers aimants à terres rares populaires. Bien que légèrement plus faibles que les aimants néodyme-fer-bore, les aimants samarium-cobalt ont une résistance supérieure à la chaleur et à la corrosion, ils sont donc utilisés dans les moteurs à grande vitesse, les générateurs, les capteurs de vitesse dans les voitures et les avions, et dans les pièces mobiles de certains missiles à tête chercheuse. Les aimants au samarium-cobalt forment également le cœur de la plupart des tubes à ondes progressives, qui amplifient les signaux des systèmes radar et des satellites de communication. Certains de ces tubes transmettent des données du vaisseau spatial Voyager 1 - actuellement l'objet artificiel le plus éloigné - à plus de 23 milliards de kilomètres (SN : 31/07/21, p. 18).

Parce qu'ils sont solides et fiables, les aimants aux terres rares soutiennent les technologies vertes. Ils se trouvent dans les moteurs, les transmissions, la direction assistée et de nombreux autres composants des véhicules électriques. L'utilisation par Tesla d'aimants en alliage de néodyme dans ses véhicules Model 3 les plus éloignés a suscité des inquiétudes au niveau de la chaîne d'approvisionnement ; La Chine fournit la grande majorité du néodyme mondial (SN : 1/11/23).

Les aimants aux terres rares sont également utilisés dans de nombreuses éoliennes offshore pour remplacer les boîtes de vitesses, ce qui augmente l'efficacité et réduit la maintenance. En août, des ingénieurs chinois ont présenté "Rainbow", la première ligne de train maglev au monde basée sur des aimants aux terres rares qui permettent aux trains de flotter sans consommer d'électricité.

À l'avenir, les terres rares pourraient même faire progresser l'informatique quantique. Alors que les ordinateurs conventionnels utilisent des bits binaires (ceux des 1 et des 0), les ordinateurs quantiques utilisent des qubits, qui peuvent occuper deux états simultanément. Il s'avère que les cristaux contenant des terres rares font de bons qubits, car les électrons f blindés peuvent stocker des informations quantiques pendant de longues périodes, explique Zhong. Un jour, les informaticiens pourraient même exploiter les propriétés luminescentes des terres rares dans les qubits pour partager des informations entre les ordinateurs quantiques et créer un Internet quantique, dit-il.

Il est peut-être trop tôt pour prédire exactement comment les métaux des terres rares continueront d'influencer l'expansion de ces technologies en plein essor. Mais il est probablement prudent de dire : nous allons avoir besoin de plus de terres rares.

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Une version de cet article paraît dans le numéro du 14 janvier 2023 de Science News.

H. Brunckova et al. Propriétés de luminescence des couches minces de néodyme, de samarium et de niobate d'europium et de tantalate. Luminescence. Vol. 37, avril 2022, p. 642. doi : 10.1002/bio.4205.

V. Balaram. Éléments de terres rares : un examen des applications, de l'occurrence, de l'exploration, de l'analyse, du recyclage et de l'impact environnemental. Frontières géoscientifiques. Vol. 10 juillet 2019, p. 1285. doi : 10.1016/j.gsf.2018.12.005.

LU Khan et ZU Khan. Luminescence des terres rares : spectroscopie électronique et applications. Manuel de caractérisation des matériaux. Springer, Cham. 19 septembre 2018. doi : 10.1007/978-3-319-92955-2_10.

K. Binnemans et al. Terres rares et problème d'équilibre : comment faire face à l'évolution des marchés ? Journal de la métallurgie durable. Vol. 4, 9 février 2018, p. 126. doi : 10.1007/s40831-018-0162-8.

R. Skomski et DJ Sellmyer. Anisotropie des aimants aux terres rares. Journal des terres rares. Vol. 27, août 2009, p. 675. doi : 10.1016/S1002-0721(08)60314-2.

JF Suyver et A. Meijerink. Europium protège l'euro. Chemisch2Weekblad. Vol. 98-4, 16 février 2002, p. 12.

Nikk Ogasa est un rédacteur qui se concentre sur les sciences physiques pour Science News. Il est titulaire d'une maîtrise en géologie de l'Université McGill et d'une maîtrise en communication scientifique de l'Université de Californie à Santa Cruz.

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